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Die
Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Aktor, insbesondere
einen elektromagnetischen Aktor für die Betätigung eines Schaltelementes.
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Zum
Betätigen
eines Schaltelementes werden elektromagnetische Aktoren eingesetzt,
die beispielsweise ein Schaltschloss des Schaltelementes auslösen. Die
prinzipielle Wirkungsweise eines solchen elektromagnetischen Aktors
ist beispielhaft in 7 dargestellt. Der elektromagnetische
Aktor umfasst ein Magnetsystem 2 mit einem in einem Gehäuse fixierten
Magnetjoch 4 und einem beweglich im Gehäuse gelagerten Anker 6.
In einer Ausgangsstellung wird der Anker 6 durch eine auf
ihn wirkende Magnetkraft FM (Haltekraft)
am Magnetjoch 4 gehalten. Der Anker 6 ist auf
einem Träger 8 aus
einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet und mit einem
Führungsstab 10 axial
verschiebbar in einer im Gehäuse
fixierten Führung 12 gelagert.
An seinem vom Anker 6 abgewandten Ende ist der Führungsstab 10 mit
einem Flansch 14 versehen, zwischen dessen Schultern und
der Führung 12 eine
Feder 16, im Beispiel der Figur ein Tellerfederpaket, abstützt. Die
Feder 16 ist vorgespannt und übt auf den Anker 6 eine
gegen die Magnetkraft FM wirkende Federkraft FF aus, die kleiner ist als die vom Magnetjoch 4 auf den
Anker 6 ausgeübte
magnetische Haltekraft oder Magnetkraft FM.
Der Flansch 14 ist mechanisch mit dem beweglichen Kontakt 18 eines
elektrischen Schaltelementes 20 gekoppelt, dessen Stromzuführung über den
Flansch 14 und einen feststehenden Flansch 21 erfolgt.
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Bei
dem Magnetjoch 4 kann es sich um einen reinen Gleichstrommagneten
oder um eine Kombination aus Gleichstrommagnet und Permanentmagnet handeln.
Im ersten Fall wird die Magnetkraft FM durch einen
in einer Spule des Gleichstrommagneten fließenden Strom I erzeugt. Im
zweiten Fall wird die Magnetkraft FM ausschließlich durch
den Permanentmagneten bereitge stellt. Zum Auslösen des Ankers 6 wird
nun entweder der Gleichstrom I abgeschaltet oder durch Einschalten
eines Gleichstromes I oder eines impulsförmigen Stroms das vom Permanentmagneten
erzeugte Magnetfeld durch ein elektromagnetisch erzeugtes Gegenfeld
kompensiert. Durch die Wirkung der Feder 16 setzt sich
der Anker 6 in Bewegung und betätigt über den Flansch 14 das Schaltelement 20.
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Bei
der Auslegung eines elektromagnetischen Aktors für die Betätigung eines Schaltelementes
müssen
bei kompakter Bauform eine Vielzahl von Kriterien erfüllt sein.
Zum einen müssen
Magnetkraft FM und Federkraft FF derart
aufeinander abgestimmt sein, dass der Anker 6 auch bei
mechanischer Belastung des Schaltgerätes sicher in der Ausgangsstellung
verbleibt und nicht bei Erschütterung
auslöst. Zum
anderen muss die Federkraft FF groß genug sein,
um den Anker so zu beschleunigen, dass dieser in kurzer Zeit einen
Weg zurücklegt,
der ausreicht, um das Schaltelement 20 sicher zu betätigen. In
der Praxis sollen dabei oft Wege im Bereich von einigen Zehntel
Millimetern bis etwa 2 mm in sehr kurzen Zeiten (< 1 ms) zurückgelegt
werden. Hohe Haltekräfte einerseits
und kurze Schaltzeiten andererseits sind jedoch einander widersprechende
Forderungen. Hohe Haltekräfte
erfordern nämlich
ein entsprechend hohes Ankervolumen und damit eine hohe Ankermasse.
Diese wiederum führen
zu einer größeren Trägheit des
Ankers, wenn dieser durch die Feder beschleunigt wird.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen elektromagnetischen
Aktor zum Betätigen
eines elektromagnetischen Schaltelementes anzugeben, mit dem es
möglich
ist, kurze Schaltzeiten bei zugleich hohen Haltekräften zu
realisieren.
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Die
genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit einem elektromagnetischen Aktor mit den Merkmalen des Patentanspruches
1. Gemäß diesen
Merkmalen enthält
der elektromagnetische Aktor ein Magnetjoch, das einen von einer
elektrischen Spule umgebenen inneren Magnetkernbereich und einen äußeren Magnetkernbereich
umfasst, zwischen denen sich ein den inneren Magnetkernbereich umgebender
Spalt befindet, in dem eine den inneren Magnetkernbereich umgebende
Spule angeordnet ist, sowie einen Anker, der im Bereich des Spaltes
mit zumindest einer Ausnehmung versehen ist.
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Durch
diese Maßnahme
wird die Masse des Ankers gegenüber
einem massiven Anker in Form einer Scheibe mit einander gegenüberliegenden
planparallelen Flachseiten verringert, so dass der Anker bei ansonsten
identischem Aufbau des Schaltgerätes schneller
beschleunigt wird und auf diese Weise kürzere Schaltzeiten ermöglicht sind.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass es möglich ist, im
Bereich des magnetfeldfreien Spaltes das Ankervolumen zu reduzieren,
ohne dass dies zu einer Verringerung der zwischen Magnetjoch und
Anker ausgeübten
Magnet- oder Haltekraft führt.
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Die
zumindest eine Ausnehmung kann im Anker in Form einer Vertiefung
oder einer Durchgangsöffnung
bzw. Fenster vorliegen, wobei durch das Einbringen von Durchgangsöffnungen
eine besonders wirksame Massenverringerung des Ankers erzielt werden
kann.
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Vorzugsweise
sind eine Mehrzahl vom Ausnehmungen vorgesehen, wobei insbesondere
der Anker einen inneren und einen diesen umgebenden äußeren Ankerbereich
umfasst, die über
eine Mehrzahl von Stegen miteinander verbunden sind.
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Wenn
der Anker außerdem
auf seiner vom Magnetjoch abgewandten Rückseite mit zumindest einer
Aussparung versehen ist, kann eine weitere Reduzierung der Ankermasse
erzielt werden.
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Eine
besonders platzsparend und fertigungstechnisch einfach herzustellende
Ausführungsform wird
erzielt, wenn das Magnetjoch als Topfkern ausgebildet ist.
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Bei
dem elektromagnetischen Aktor kann es sich um einen reinen Elektromagneten
oder um einen mit einem Permanentmagneten kombinierten Elektromagneten
handeln, bei dem das Magnetjoch einen Permanentmagneten umfasst,
dessen magnetische Achse mit der magnetischen Achse des inneren
Magnetkernbereiches zusammenfällt.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
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1 einen
elektromagnetischen Aktor gemäß der Erfindung
in einem schematischen Längsschnitt,
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2 eine
alternative Ausführungsform
des Magnetsystems eines elektromagnetischen Aktors gemäß der Erfindung
mit einem Permanentmagneten,
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3 eine
weitere alternative Ausgestaltung des elektromagnetischen Aktors
mit einer im Magnetsystem integrierten Feder,
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4 den
in den 1 bis 3 dargestellten Anker in einem
Querschnitt senkrecht zur Bewegungsachse,
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5 eine
Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung eines Ankers gemäß der Erfindung,
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6 eine
weitere alternative Ausgestaltung eines Ankers gemäß der Erfindung
in einem Axialschnitt,
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7 den
prinzipiellen Aufbau eines von einem elektromagnetischen Aktor betriebenen
Schaltgerätes
gemäß dem Stand
der Technik.
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Gemäß 1 umfasst
der elektromagnetische Aktor gemäß der Erfindung
ein Magnetjoch 40, das im Beispiel rotationssymmetrisch
um eine erste magnetische Achse 42 als Topfkern ausgebildet
ist. Das Magnetjoch 40 umfasst einen von einer elektrischen
Spule 44 umgebenen inneren zylindrischen Magnetkernbereich 46,
der von einem äußeren hohlzylindrischen
Magnetkernbereich 48 umgeben ist, und von diesem durch
einen ringförmig
umlaufenden Spalt 50 getrennt ist, in den die Spule 44 eingesetzt ist.
Die Polflächen 52 und 54 des
inneren bzw. äußeren Magnetkernbereiches 46, 48 sind
in einer gemeinsamen Ebene 56 angeordnet.
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Dem
Magnetjoch 40 ist ein beweglich gelagerter, flacher, annähernd scheibenförmiger Anker 60 zugeordnet,
der im Bereich des Spaltes 50 mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen 62 versehen
ist, die im Beispiel der Figur als Durchgangsöffnung oder Fenster gestaltet
sind. Bei dem Anker 60 handelt es sich um eine erfindungsgemäße Modifikation
eines in der Figur gestrichelt dargestellten kreisscheibenförmigen massiven
Ankers mit planparallelen Flachseiten. Gegenüber dieser Kreisscheibenform
ist der Anker 6 nicht nur mit der Ausnehmung 62 im
Bereich des Spaltes 50 sondern zusätzlich mit einer am äußeren Rand
des Ankers 60 umlaufenden und in der vom Magnetjoch 40 abgewandten
Rückseite
des Ankers 60 eingebrachten Aussparung 64 versehen. Eine
weitere rotationssymmetrische Aussparung 66 auf der Rückseite
des Ankers 60 befindet sich in der Mitte. Die Aussparungen 64, 66 berücksichtigen
den Verlauf des magnetischen Flusses im Anker und sind dementsprechend
dort eingebracht, wo die Flussdichte gering ist.
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Durch
diese Gestaltung wird die Masse des Ankers 60 signifikant
reduziert, ohne dass dies zu einer die Haltekraft beeinträchtigenden
Veränderung des
Flussdichteverlaufes zwischen Anker 60 und Magnetjoch 40 führt. Mit
anderen Worten: Die vom Magnetjoch 40 auf den Anker 60 ausgeübte magnetische
Haltekraft ist zumindest annähernd
genauso groß wie
die Haltekraft, die vom selben Magnetjoch 40 auf einen
scheibenförmigen
Anker mit planparallelen Flachseiten gemäß dem Stand der Technik ausgeübt wird.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist
alternativ zu dem in 1 dargestellten einteiligen Magnetjoch
ein mehrteiliges Magnetjoch 40 vorgesehen, bei dem dem
inneren Magnetkernbereich 46 auf seiner der Polfläche 52 abgewandten
Rückseite
ein Permanentmagnet 462 zugeordnet ist, dessen magnetische
Achse mit der magnetischen Achse 42 des inneren Magnetkernbereiches 46 zusammenfällt. In diesem
Ausführungsbeispiel
wird die Haltekraft ausschließlich
durch die Wirkung des Permanentmagneten 462 erzeugt. Der
Abwurf des Ankers 6 erfolgt dadurch, dass beim Einschalten
des von Spule 44 und Spulen kern 464 gebildeten
Elektromagneten ein Gegenfeld erzeugt wird, das die Wirkung des
Permanentmagneten 462 zumindest annähernd aufhebt.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 3 ist
die Feder 16, die bei ausgeschaltetem Elektromagneten (1)
oder bei kompensiertem Magnetfeld des Permanentmagneten (2)
die Linearbeschleunigung des Ankers 60 erzeugt in das Magnetjoch 40 integriert.
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Der 4 ist
zu entnehmen, dass der Anker 60 mit vier Ausnehmungen 62 versehen
ist, die als Durchgangsöffnungen
ausgestaltet sind. Der magnetische Fluss wird dabei von einem inneren
Bereich 68 des Ankers 60 zu einem ringförmigen äußeren Bereich 70 über Stege 72 geführt.
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Bei
einer alternativen Ausgestaltung des Ankers 60 gemäß 5 sind
die Ausnehmungen 62 in Form von Durchgangsbohrungen eingebracht.
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An
Stelle fensterförmiger
Ausnehmungen 62 ist es auch möglich, gemäß 5 Ausnehmungen 62 vorzusehen,
die lediglich in Form von Vertiefungen vorliegen. Im Beispiel ist
ein rotationssymmetrischer Anker 60 dargestellt, bei dem
die Ausnehmung 62 durch eine ringförmig umlaufende Rinne gebildet
ist.